The 3D clustering of Lyman Alpha Emitters measured with DESI

Resumen Técnico: El Agrupamiento 3D de Emisores de Lyman Alfa Medidos con DESI

Problema y Motivación
Los actuales sondeos espectroscópicos de Etapa IV han mapeado la estructura a gran escala (LSS, por sus siglas en inglés) del universo con alta precisión hasta $z \lesssim 2$. Sin embargo, extender la cosmología de precisión a redshifts más altos ($z \gtrsim 2$) es esencial para acceder a volúmenes comóvulos más grandes, palancas de tiempo cósmico más largas para las mediciones de la tasa de crecimiento y más modos (quasi-)lineales. En estos redshifts, la principal sonda de la LSS ha sido el bosque de Lyman-$\alpha$, el cual está limitado por la escasez de cuásares de fondo y los contaminantes de ajuste de continuo. Los trazadores de galaxias ofrecen un muestreo más denso e independiente del campo de materia. El Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) y su propuesto sucesor, DESI-II, planean utilizar Emisores de Lyman-$\alpha$ (LAEs) como trazadores clave.

Un prerrequisito crítico para utilizar los LAEs en análisis cosmológicos es una caracterización robusta de sus propiedades de agrupamiento, específicamente su sesgo lineal y la fiabilidad de los modelos teóricos en el espacio de redshift. Las mediciones previas del sesgo de los LAEs dependieron del agrupamiento angular o de funciones de correlación proyectadas, que sufren de una reducción en la relación señal-ruido debido a efectos de proyección y no pueden acceder al cuadrupolo de la distorsión en el espacio de redshift (RSD, por sus siglas en inglés) ($\xi_2$), un observable clave para restringir la tasa de crecimiento ($f\sigma_8$). Además, el agrupamiento de los LAEs se ve complicado por los efectos de transferencia radiativa (RT), donde la dispersión de los fotones de Ly$\alpha$ por hidrógeno neutro puede introducir distorsiones dependientes de la escala que imitan las señales de RSD. Este artículo presenta la primera medición de los multipolos de la función de correlación completa en 3D en el espacio de redshift ($\xi_0$ y $\xi_2$) y del espectro de potencia para los LAEs seleccionados mediante imágenes de banda media, proporcionando una calibración esencial para futuros sondeos de alto redshift.

Metodología
El análisis utiliza observaciones espectroscópicas del Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) dirigidas a candidatos LAE seleccionados a partir de la encuesta de imágenes de banda intermedia (IBIS) utilizando el Dark Energy Camera (DECam) en el telescopio Blanco. La encuesta IBIS emplea cinco filtros de banda media adyacentes (4000–5300 Å) para aislar la emisión de Ly$\alpha$.

• Selección de la muestra: La selección de objetivos combina un corte de "exceso de pico" (identificando el exceso de flujo en una banda media respecto a un continuo sintético) con cortes de color de banda ancha (usando datos de HSC-SSP) para rechazar intrusos de bajo redshift. La muestra se restringe al campo COSMOS (programa tertiary54) para asegurar una alta completitud de fibra.
• Espectroscopía: Las observaciones de DESI lograron una completitud de fibra del 98.6% dentro de la huella del análisis (0.3 deg < $r$ < 1.4 deg desde el centro del campo), eliminando efectivamente la necesidad de correcciones de asignación de fibra que típicamente afectan las mediciones de agrupamiento a pequeña escala. La muestra final contiene 5,087 LAEs con redshifts seguros en el rango $2.26 < z < 3.41$, divididos en dos bins: $z \approx 2.5$ y $z \approx 3.0$.
• Medición de agrupamiento: Los autores midieron la función de correlación de dos puntos ($\xi$) y los multipolos del espectro de potencia anisotrópico ($P(k)$) ($\ell=0, 2, 4, 6$) tanto en el espacio de configuración como en el espacio de Fourier. También se computaron las correlaciones cruzadas con los cuásares (QSOs) de DESI DR2 para romper las degeneraciones en el modelo de sesgo y de RT.
• Modelado:
  • Ajustes HOD: Se ajustaron modelos de Distribución de Ocupación de Halo (HOD) a los multipolos de la función de correlación utilizando catálogos simulados (mocks) generados a partir de la suite de N-cuerpos AbacusSummit. Se probaron tres modelos: un HOD estándar, un modelo de Atenuación de Masa de Halo (HMQ) y un modelo que incluye sesgo de velocidad.
  • Ajustes en el espacio de Fourier: Se utilizó el formalismo de la Teoría de Campo Efectiva (EFT) para ajustar los multipolos del espectro de potencia. Este enfoque permite una separación clara de escalas y la inclusión de términos de contraparte para modelar la física de pequeña escala. El análisis incorporó un modelo parametrizado para los efectos de Transferencia Radiativa (RT) y correlacionó los LAEs con los QSOs para restringir el parámetro de RT.
  • Análisis de FoG: Se investigó la fuerza de los efectos de Dedos de Dios (FoG) utilizando funciones de correlación anisotrópicas, multipolos altos en el espectro de potencia y comparaciones entre los datos y las simulaciones HOD.

Resultados Clave

• Sesgo Lineal: El análisis produce restricciones estrictas sobre el sesgo lineal de los LAEs seleccionados por banda media. Usando el modelado EFT, el sesgo lineal se mide como $b_1 = 2.31 \pm 0.23$ en $z=2.5$ y $b_1 = 2.62 \pm 0.20$ en $z=3.0$. Estos resultados son consistentes con los ajustes del modelo HOD ($b \sim 2.2$ y $2.55$) y con la literatura previa dentro de $0.5\sigma$.
• Transferencia Radiativa (RT): El estudio establece las primeras restricciones sobre la fuerza de los efectos de RT utilizando un modelo de distorsión de un parámetro ($\alpha$). Los resultados muestran una desviación de cero con una significancia de menos de $2\sigma$ ($\alpha = -0.64 \pm 0.63$ en $z=2.5$ y $\alpha = -0.95 \pm 0.55$ en $z=3.0$). Aunque los datos permiten distorsiones de orden unitario, los resultados son consistentes con efectos de RT insignificantes, y el AIC no favorece fuertemente la inclusión de RT en el modelo.
• Dedos de Dios (FoG): El análisis indica que los efectos de FoG en la población de LAEs son relativamente débiles. El cruce por cero del cuadrupolo ocurre en números de onda altos ($k \gtrsim 0.45 \, h \, \text{Mpc}^{-1}$), y la supresión del espectro de potencia en la línea de visión es mínima. Tanto los datos como las simulaciones HOD sugieren que la contribución de FoG es subdominante respecto a los términos perturbativos hasta la escala no lineal ($k_{nl} \sim 0.5 \, h \, \text{Mpc}^{-1}$).
• Características de HOD: El modelo HOD estándar es preferido sobre los modelos HMQ y de sesgo de velocidad debido a que tiene menos parámetros (menor AIC). El análisis sugiere que los LAEs residen en halos con masas alrededor de $10^{11.75} \, h^{-1} M_\odot$ y tienen una fracción de satélites baja, lo cual es consistente con su identificación como galaxias jóvenes y de baja masa.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar la primera medición de los multipolos de la función de correlación en el espacio de redshift en 3D ($\xi_0, \xi_2$) para los LAEs en $2.2 \lesssim z \lesssim 3.5$. Esto representa un avance significativo sobre los análisis angulares o proyectados previos, permitiendo restricciones directas sobre la tasa de crecimiento ($f\sigma_8$) y pruebas rigurosas de los modelos de agrupamiento teóricos.

Los autores enfatizan que la alta completitud de fibra de la muestra DESI tertiary54 permite realizar mediciones de agrupamiento sin correcciones de asignación de fibra, un sistema crítico para el análisis de pequeña escala. Las restricciones de sesgo derivadas y la caracterización de los efectos de RT y FoG proporcionan entradas esenciales para la previsión y optimización de futuros sondeos de alto redshift como DESI-II y Spec-S5. Los resultados confirman que los LAEs son trazadores cosmológicos robustos, con señales de agrupamiento que son mayormente lineales y están mínimamente afectadas por efectos no perturbativos o distorsiones de transferencia radiativa al nivel de precisión actual. El artículo concluye que, si bien los modelos HOD proporcionan un buen ajuste fenomenológico, el trabajo futuro debería explorar modelos más motivados físicamente y escenarios de RT más complejos a medida que los conjuntos de datos crezcan.